La economía futura basada en fuentes de energía renovables y sostenibles podría utilizar automóviles a batería, parques solares y eólicos a gran escala, y reservas de energía almacenadas en baterías y combustibles químicos. Aunque ya existen ejemplos de fuentes de energía sostenibles en uso, Los avances científicos y de ingeniería determinarán el cronograma para una adopción generalizada.

Un paradigma propuesto para alejarse de los combustibles fósiles es la economía del hidrógeno, en el que el gas hidrógeno alimenta las necesidades eléctricas de la sociedad. Para producir en masa gas hidrógeno, algunos científicos están estudiando el proceso de división del agua, dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, que daría como resultado combustible de hidrógeno y gas oxígeno respirable.

Feng Lin, profesor asistente de química en el Virginia Tech College of Science, se centra en la investigación de conversión y almacenamiento de energía. Este trabajo es parte de un nuevo estudio publicado en la revista Catálisis de la naturaleza que resuelve una clave, barrera fundamental en el proceso electroquímico de división del agua donde Lin Lab demuestra una nueva técnica para reensamblar, revivificar, y reutilizar un catalizador que permita la división del agua con eficiencia energética. Chunguang Kuai, un ex alumno de posgrado de Lin, es el primer autor del estudio con Lin y los coautores, los estudiantes graduados de química Zhengrui Xu, Anyang Hu, y Zhijie Yang.

La idea central de este estudio se remonta a una asignatura de las clases de química general:los catalizadores. Estas sustancias aumentan la velocidad de una reacción sin ser consumidas en el proceso químico. Una forma en que un catalizador aumenta la velocidad de reacción es disminuyendo la cantidad de energía necesaria para que comience la reacción.

El agua puede parecer básica como una molécula formada por solo tres átomos, pero el proceso de dividirlo es bastante difícil. Pero el laboratorio de Lin lo ha hecho. Incluso mover un electrón de un átomo estable puede consumir mucha energía, pero esta reacción requiere la transferencia de cuatro para oxidar el oxígeno y producir oxígeno gaseoso.

"En una celda electroquímica, el proceso de transferencia de cuatro electrones hará que la reacción sea bastante lenta, y necesitamos tener un nivel electroquímico más alto para que esto suceda, "Lin dijo." Con una mayor energía necesaria para dividir el agua, la eficiencia a largo plazo y la estabilidad del catalizador se convierten en desafíos clave ".

Para cumplir con ese requisito de alta energía, Lin Lab presenta un catalizador común llamado hidróxido de hierro y níquel mixto (MNF) para reducir el umbral. Las reacciones de división del agua con MNF funcionan bien, pero debido a la alta reactividad de MNF, tiene una vida útil corta y el rendimiento catalítico disminuye rápidamente.

Lin y su equipo descubrieron una nueva técnica que permitiría el reensamblaje periódico al estado original de MNF, permitiendo así que continúe el proceso de división del agua. (El equipo usó agua dulce en sus experimentos, pero Lin sugiere que el agua salada, la forma de agua más abundante en la Tierra, también podría funcionar).

MNF tiene una larga trayectoria en estudios energéticos. Cuando Thomas Edison jugó con las baterías hace más de un siglo, también usó los mismos elementos de níquel y hierro en baterías a base de hidróxido de níquel. Edison observó la formación de gas oxígeno en sus experimentos con hidróxido de níquel, que es malo para una batería, pero en el caso de que se parta el agua, la producción de oxígeno gaseoso es el objetivo.

"Los científicos se han dado cuenta durante mucho tiempo de que la adición de hierro en la red de hidróxido de níquel es la clave para mejorar la reactividad de la división del agua". Dijo Kuai. "Pero bajo las condiciones catalíticas, la estructura del MNF prediseñado es altamente dinámica debido al ambiente altamente corrosivo de la solución electrolítica ".

Durante los experimentos de Lin, El MNF se degrada de una forma sólida a iones metálicos en la solución electrolítica, una limitación clave de este proceso. Pero el equipo de Lin observó que cuando la celda electroquímica se voltea desde lo alto, potencial electrocatalítico a un bajo, reducir el potencial, solo por un período de dos minutos, los iones metálicos disueltos se vuelven a ensamblar en el catalizador ideal de MNF. Esto ocurre debido a una inversión del gradiente de pH dentro de la interfaz entre el catalizador y la solución electrolítica.

"Durante el potencial bajo durante dos minutos, Demostramos que no solo obtenemos iones de níquel y hierro depositados nuevamente en el electrodo, pero mezclándolos muy bien y creando sitios catalíticos altamente activos, "Lin dijo." Esto es realmente emocionante, porque reconstruimos los materiales catalíticos en la escala de longitud atómica dentro de una interfaz electroquímica de unos pocos nanómetros ".

Otra razón por la que la reforma funciona tan bien es que Lin Lab sintetizó el nuevo MNF como láminas delgadas que son más fáciles de ensamblar que un material a granel.

Validación de hallazgos mediante radiografías

Para corroborar estos hallazgos, El equipo de Lin realizó mediciones de rayos X de sincrotrón en el Laboratorio Nacional de Fuente de Fotones Avanzados del Laboratorio Nacional de Argonne y en el Fuente de Luz de Radiación de Sincrotrón de Stanford del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC. Estas mediciones utilizan la misma premisa básica que la radiografía hospitalaria común, pero a una escala mucho mayor.

"Queríamos observar lo que había sucedido durante todo este proceso, ", Dijo Kuai." Podemos usar imágenes de rayos X para ver literalmente la disolución y redeposición de estos hierros metálicos para proporcionar una imagen fundamental de las reacciones químicas ".

Las instalaciones de sincrotrón requieren un bucle masivo, similar al tamaño de Drillfield en Virginia Tech, que puede realizar espectroscopía de rayos X e imágenes a altas velocidades. Esto proporciona a Lin altos niveles de datos en las condiciones de funcionamiento catalíticas. El estudio también proporciona información sobre una variedad de otras importantes ciencias de la energía electroquímica, como la reducción de nitrógeno, reducción de dióxido de carbono, y baterías de zinc-aire.

"Más allá de las imágenes, Numerosas mediciones espectroscópicas de rayos X nos han permitido estudiar cómo los iones metálicos individuales se unen y forman grupos con diferentes composiciones químicas. "Esto realmente ha abierto la puerta para sondear reacciones electroquímicas en entornos de reacciones químicas reales", dijo Lin.